大学化学物质的聚集状态.ppt

第一章物质的聚集状态,中国地质大学（武汉）,中国地质大学材化学院化学系高强,1.1气体,1.2液体,1.3溶液,2,物质由分子组成，在通常情况下，物质呈固态、液态和气态。,冰,液态水,水汽,有一定的体积、无固定的形状,有一定的体积和一定的形状,无固定的体积、无固定的形状,第一章物质的聚集状态,例如水（h2o):,作用力强,作用力较弱,作用力最弱,3,第一章物质的聚集状态,温度升高时，分子热运动加剧。物质的宏观状态就可能发生变化，由一种聚集状态变为另一种聚集态。例如：,4,第一章物质的聚集状态,当温度足够高时，外界提供的能量足以破坏分子中的原子核和电子的结合，气体就电离成自由电子和正离子，即形成物质的第四态等离子态。,宇宙中大部分发光的星球上的物质差不多都处于等离子态。日光灯和霓虹灯灯管里也存在等离子态。,5,1.高温火焰,6,2.太阳,7,3.闪电,8,四种聚集状态之间的转化,1.1气体,1.1.1低压气体的经验定律,1.1.2理想气体的状态方程式,1.1.3分压定律和分体积定律,1.1.4气体分子运动论(略）,1.1.5实际气体,1.1气体,11,描述物质的关键参数：质量（m）和体积（v）物质的质量与数量（用物质的量n表示）有确定的定量关系；此外，实验证实气体的体积（v）与体系的温度（t）和压力（p）具有函数关系。气体的状态可用n、p、v、t来描述。,1.1气体,12,1.1.1低压气体的经验定律,体积小；压力大,体积大；压力小,波义尔定律：pv常数（n,t一定）,1.玻义尔实验(r.boyle，1662):,n,t一定时：,13,1.1.1低压气体的经验定律,温度低，体积小,温度高，体积大,盖.吕萨克定律：v/t常数（n,p一定）,2.盖.吕萨克实验(jgay-lussac，1808):,n,p一定时：,14,3.阿伏加德罗实验（a.avogadro，1811)：,供气筒,气体的量增加，体积正比例增大,阿伏加德罗定律：v/n常数（t,p一定）,n,v,t,p一定时：,1.1.1低压气体的经验定律,15,1.1.2理想气体的状态方程式,低压、高温下的气体可近似地看作是理想气体。在压力趋于零时，所有的实际气体都可视作理想气体。理想气体是严格遵守波义尔定律、盖吕萨克定律和阿伏伽德罗定律的，将这三个定律结合起来就得到了理想气体状态方程。,理想气体的模型：分子间没有作用力，分子本身没有体积的一种气体。,16,p1v1t1,一定量气体由p1v1t1变为p2v2t2,p2v2t2,p2vt1,1.玻义尔定律,2.盖吕萨克定律,1,2,两个定律结合,17,理想气体状态方程,p：气体的压力，单位是pa（帕斯卡）v：气体体积，单位是m3t：热力学温度，单位是k（开尔文）n：气体物质的量，单位是mol（摩尔）r：气体常数,任意t，p下均服从pv=nrt的气体为理想气体,进一步由阿伏伽德罗定律可得：,pv=nrt,18,理想气体状态方程,理想气体状态方程也可表示为：,pv=(m/m)rt或p=(/m)rt,以此，可相互计算p,v,t,n,m,m,(=m/v),19,对理想气体状态方程的几点说明,理想气体在任意t，p下均服从上式,实际气体在低压下（温度不太低）近似看作理想气体；,在压力趋近于零时，可视为理想气体；,在高压下，则需修正理想气体状态方程。,pv=nrt,20,【例】计算25oc、100kpa下1mol空气的体积。,【解】将空气视为理想气体。,21,【例】用管道输送天然气，当输送压力为200kpa，温度为25时，管道内天然气的密度为多少？假设天然气可看作是纯甲烷。,【解】m16.04103kgmol-1、p、t均已知，求,p=(/m)rt,22,试求三甲胺的摩尔质量。,【解】,只有气体压力趋于零时，上式才成立，即,23,计算r/p，得到下表,24,1.1.3分压定律和分体积定律,v,t恒定,定义气体b的分压:混合气体中某组分b在同温下单独存在于整个容器时所具有的压力。,总压和分压之间的关系？,对任意气体：,25,理想混合气体的总压等于各组分的分压之和道尔顿分压定律,v,t恒定,p1,p2,p,1、道尔顿分压定律,更一般地：,26,对于其它气体：,?,道尔顿分压定律只适用于理想气体和低压气体,分压定律的适用范围,p1,p2,p,v,t一定,a与容器壁作用、b与容器壁作用、a-a、b-b作用、a-b作用,a与容器壁作用、a-a作用,b与容器壁作用、b-b作用,气体a,气体b,27,【例】3.0dm3的容器，内盛16go2，28gn2，求300k时混合气体中o2、n2的分压及混合气体的总压。,【解】,28,29,2.阿马格分体积定律,p,t相同：,定义气体b的分体积:混合气体中某组分b单独存在，并与混合气体同温同压时所具有的体积,对任意气体：,混合气体体积和分体积之间的关系？,30,2.阿马格分体积定律,p,t相同：,v1,v2,v,理想混合气体的总体积等于各组分的分体积之和阿马格分体积定律,更一般地：,31,对于其它气体：,?,定义b气体的体积分数：,?,阿马格分体积定律只适用于理想气体和低压气体,分体积定律的适用范围,32,1.1.4气体分子运动论（略）,分子运动论的基本论点是：（1）气体是由不停顿地作无规则运动的分子所组成。分子本身的体积与气体所占有的体积相比可以忽略。（2）分子间的相互作用力很小，可以忽略。（3）分子彼此间以及分子与器壁间的碰撞是完全弹性的。碰撞只改变分子运动的方向，而不改变分子运动的速度。分子与器壁间的碰撞产生压力。（4）气体分子的平均平动动能与气体的绝对温度成正比。一摩尔气体分子的平均平动动能为：,33,1.1.5实际气体,理想气体：,理想气体状态方程pvm=rt的实质为：(分子间无相互作用力的气体的压力)(1mol理想气体的自由活动空间)=rt,34,实际气体：,(1)由于分子间有相互作用力(一般吸引力主导），因此分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞。,p理=p+p内=p+a/vm2,式中a是与物质有关的经验常数（可查表），a与分子间的吸引力大小有关，气体分子间的引力越大（即越容易液化），a越大。,1.1.5实际气体,35,(2)由于分子本身占有体积,1.1.5实际气体,b：1mol分子的等效体积，约为1mol分子自身体积的4倍，其值有表可查,1mol真实气体的自由空间(vmb),36,1.1.5实际气体,或,范德华方程,范德华，荷兰,实际气体的状态方程有多种形式，其中范德华方程最常用。,37,【例】40oc时，1.00molco2气体，存储于1.20dm3的容器中，实验测得压力为1.97mpa，试分别用理想气体状态方程和范德华方程计算co2气体的压力，并和实验值比较。,【解】用理想气体状态方程计算,计算值与实验值误差,38,用范德华方程计算:由表1.1查出co2气体范德华常数,计算值与实验值误差,39,1.1.6气体的液化,1.气体的液化：,理想气体,不可液化,实际气体,可液化,如何使实际气体液化？,40,（1）降温,1.1.6气体的液化,41,1.1.6气体的液化,（1）加压,加压一定能够让气体液化吗？,42,2.临界点,co2的pvt图，即co2的等温线,21.5,13.1,安德鲁斯（t.andrews）实验结果,“假如有人问现在是处在气态还是液态呢？我相信这个问题不可能获得肯定的回答。”,43,co2临界点,2.临界点,描述临界点的三个临界参数：tc，pc，vm,c,临界温度tc：使气体能够液化所允许的最高温度,临界压力pc:在临界温度时使气体液化所需的最低压力,临界摩尔体积vm,c：在tc、pc下物质的摩尔体积,每一种气体都有确定的临界点（可查表）,44,超临界（了解）,温度和压力均略高于临界点的状态，称为超临界流体，它兼具液体性质与气体性质。,溶解能力强,扩散性能好,具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率远远高于液体。,溶解能力易调变,压力和温度的微小变化，都可以引起流体密度很大的变化，从而使溶解度发生较大的改变。,45,超临界co2萃取,无毒，无臭，无公害，是一种绿色技术。,超临界co2从咖啡豆中除去咖啡因，从烟草中脱除尼古丁等，或萃取中药。,容易实现,46,1.2液体,海洋,液氮,47,气,气体称为饱和蒸气液体称为饱和液体压力称为饱和蒸气压（简称“蒸气压”，常用符号p*）,一定温度下，气液平衡时：,液,1.2液体,48,蒸气压是温度的函数,蒸气压外压时的温度称为沸点饱和蒸气压101.325kpa时的温度称为正常沸点,因为蒸发是吸热过程，所以升高温度有利于液体的蒸发，即蒸气压随温度的升高而变大。,蒸气压与温度有明确的定量关系。,49,高压锅烧菜,50,减压蒸馏,利用液体沸点随外界气压变化的性质，对于高沸点或加热易分解的物质，可以采用减压蒸馏的方法实现分离和提纯，因为在减压时可以降低液体的沸点。例如对食品减压快速脱水保存，可以避免食品受热变质。,冷凝水进,冷凝水出,抽气,1.3溶液,1.3.1溶液浓度表示法,1.3.2拉乌尔定律与亨利定律,1.3.3非电解质稀溶液的依数性,52,1.3溶液,一种物质以分子或离子的状态均匀地分布在另一种物质中形成均匀的分散系统，称之为溶液。,溶液=溶剂+溶质,53,na+,cl-,1.3溶液,1.电解质溶液,完全离解,na+,cl-,54,ch3cooh,ch3coo-,h+,2.弱电解质溶液,1.3溶液,部分离解,55,sugar,3.非电解质溶液,1.3溶液,不离解,56,（1）溶液组成如何表示？,（2）气相中，气体a（或b）的分压与溶液中a（或b）的浓度有什么关系？,1.3溶液,57,1.3溶液,（3）如果溶质不挥发，加入溶质前后气体压力是否有变化？,58,1.3.1溶液浓度表示法,溶液中b组分的浓度表示法主要有如下四种：,1.物质的量分数,2.质量摩尔浓度,3.物质的量浓度,4.质量分数,59,1.3.1溶液浓度表示法,1.物质的量分数(molefraction),2.质量摩尔浓度bb（molality）,3.物质的量浓度cb（molarity）,4.质量分数wb（massfraction）,量纲为一,单位mol/kg,单位mol/l,量纲为一,ma是溶剂的质量！,60,溶液的配制,61,溶液的配制,62,1.3.2拉乌尔定律与亨利定律,1.3.2.1拉乌尔定律,1.3.2.2亨利定律,63,拉乌尔定律：在一定温度下，稀溶液中溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。,拉乌尔，法,1.3.2.1拉乌尔定律,压力按比例下降,切记前提条件：稀溶液,64,因为溶质浓度很低，所以对于每个溶剂分子来说，其周围相邻的分子基本上仍是同类的。故可认为，从稀溶液和从纯溶剂中，每个溶剂分子逸出液面进入气相所需克服的作用力是相等的；但是溶质分子占据了部分溶剂分子的位置，导致蒸汽压按比例下降。,拉乌尔定律的微观解释,65,拉乌尔定律的应用,纯水,稀溶液,一段时间后,66,亨利定律：在一定温度下，稀溶液中挥发性溶质的平衡分压与它在溶液中的浓度成正比，即：,kx称亨利常数，其值取决于温度、压力及溶质和溶剂的性质。,亨利定律还可表示成：,三种亨利常数kx、kc、kb数值、单位都不同。,1.3.2.2亨利定律,67,亨利定律的微观解释,因为溶质浓度很低，所以对于每个溶质分子来说，其周围几乎全部是溶剂分子。那么，进入气相的全部溶质分子的数目（正比于溶质的分压）就取决于液相中溶质分子的多少（即溶质的浓度）,68,应用亨利定律时应注意,应用亨利定律时，必须注意溶质在气液两相中的分子状态必须相同。例如，以下情形亨利定律不适用：,cl-,h+,苯甲酸,水作溶剂,苯作溶剂,69,【例】在0时，101.325kpa下，1kg水至多可溶解0.0488dm3的氧气，试计算暴露于空气的1kg水中含氧气的最大体积（已知空气中氧的摩尔分数为0.21）。,1kg水物质的量,1kg水溶解氧气的摩尔分数,【解】1kg水溶解氧气的物质的量,70,空气中氧的分压为,1kg水溶解氧气最大浓度为,1kg水中溶解氧气的最大体积：,亨利常数,71,又解：,在0时，101.325kpa下,暴露于空气下,将o2视作理想气体，气体体积v与物质的量n成正比，即与质量摩尔浓度成正比。所以,72,1.3.3非电解质稀溶液的依数性,非电解质稀溶液有四个重要的性质：蒸气压降低沸点上升凝固点下降渗透压这四个性质，只决定于溶液中溶质粒子的数目，与溶质的本性无关，故称为非电解质稀溶液的依数性。,73,（1）蒸气压降低,令,一定温度下，溶液蒸气压的下降值dp与溶液中溶质的摩尔分数成正比。,拉乌尔定律,则,74,（2）沸点升高,b,tb,tb*,a,沸点是溶液的蒸气压等于外压时的温度。,若在溶剂中加入不挥发性物质，溶液的蒸气压降低，只有加热到更高温度时，溶液才能沸腾，所以溶液的沸点总是比纯溶剂的沸点高。,75,（2）沸点升高,可以证明：稀溶液的沸点升高与溶液的浓度成正比，即,76,（2）沸点升高,请说出两种使得水的沸点升高的方法,77,【例】将496mg尼古丁溶于10.0g水中，所得溶液在101.325kpa下沸点为100.17c，求尼古丁的分子量。,尼古丁摩尔质量：,【解】,水的沸点升高常数,题设溶液的质量摩尔浓度为：,78,（3）凝固点降低,固态纯溶剂与液态溶液平衡时的温度就是溶液的凝固点。,溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点低。,当溶剂不与溶质生成固熔体时：,79,（3）凝固点降低,tf*、tf分别为纯溶剂和溶液的凝固点。,可以证明：稀溶液的凝固点降低与溶液的浓度成正比，即,80,撒盐融冰,注意：na+和cl-应分别单独作为溶质考虑,81,【例】将2.76g甘油（丙三醇c3h8o3）溶于200g水中，测得凝固点为-0.279，求甘油的摩尔质量。,200g水中含甘油为：,甘油的摩尔质量：,【解】溶液的质量摩尔浓度为：,82,(4)渗透压,溶剂分子通过半透膜的扩散现象称为渗透。渗透作用达到平衡时，半透膜两边的静压力之差